基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及传感方法与流程

本发明属于温度压力传感器领域，具体地，涉及基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及传感方法。

背景技术：

温度和压力是工业生产和日常生活中极为常见且关键的检测参数，正确地测量温度、压力有助于保证生产过程高效、低耗、安全地运行。温度压力传感器作为获取物体温度、压力所必需的测量仪表，在化工生产、能源利用、机械制造和医疗保健等领域有着极为广泛的应用。其中，水银温度计和水银压力表利用水银柱重力、待测压力和环境气压三者相平衡的原理，根据水银柱高度的变化，无需外部电源供能即可实现测量，具有结构简单、精度高和成本低廉等特点。然而，水银温度压力传感器中的工质具有一定毒性且易发生泄漏，温度、压力需要通过不同的传感器进行测量，测量信号容易受到环境气压的影响且难以实现在线监测，其在实际应用中存在较大的局限性。

随着新一代信息技术的快速发展，传感、通信和大数据等技术的有机融合共同推动物联网时代的到来。在这样的社会大背景下，各行各业庞大的数据量对传感设备提出了更高的要求，发展低成本、自供能和可在线监测的传感技术已成为当下的主流研究方向。摩擦纳米发电机是一种将摩擦运动中的机械能转换为电能的新型能源转化装置，基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，利用两种不同的材料相互接触并发生摩擦运动时转移的电荷作为传感信号，被广泛运用于物联网、环境科学、可穿戴设备和医疗检测等领域。

鉴于此，本发明的主旨在于提出一种基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及传感方法，实现温度、压力的一体化传感，具有成本低廉、结构简单、安全环保和无需外部电源供能等特点，测量信号不受环境气压的影响、分辨率较高且能远程实时传输。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及传感方法，可被用于化工生产、能源利用、机械制造、医疗健康和材料科学等领域的温度、压力监测与分析，具有结构简单、成本低廉、安全环保、在线测量和自供能的特点。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及传感方法，基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器包括：液体摩擦介质，用于作为感温材料和摩擦纳米发电机的液体摩擦材料；储液管，用于装载所述液体摩擦介质；导热介质，用于将待测物体的热量传递给所述液体摩擦介质；导热管，用于装载所述导热介质；外部壳体，起到器件封装与热量传递的作用；储液箱，用于存储所述液体摩擦介质；第一连接器，用于连接所述储液管和储液箱；第一隔热层，用于削弱所述储液管和储液箱之间的热量传递并限定储液箱的位置；第一转接头，用于对所述储液管的接口大小进行转换；毛细管，用于引导所述液体摩擦介质向上移动；第二转接头，用于对所述毛细管的接口大小进行转换；固体摩擦介质，用于作为摩擦纳米发电机的固体摩擦材料，在与所述液体摩擦介质的摩擦过程中二者之间能产生摩擦电信号；第一电极层，设置于所述固体摩擦介质的外表面，用于传感液体摩擦介质和固体摩擦介质之间的电势差或转移电荷量；气体缓冲介质，用于感知所述液体摩擦介质的运动并能通过膨胀/收缩平衡压力；储气箱，用于存储所述气体缓冲介质；第二连接器，用于连接所述固体摩擦介质和储气箱；第二隔热层，用于削弱所述储液管和固体摩擦介质、储气箱之间的热量传递并限定储气箱的位置；第二电极层，设置于所述第二隔热层的上表面，起到提供参考电势的作用；封装盖板，用于对所述基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器进行封装；第一密封塞，用于对所述储液箱进行密封；第二密封塞，用于对所述储气箱进行密封。

所述的基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及其传感方法，测量温度时，封闭所述储液箱并打开储气箱，将外部壳体与导热管贴合的部分与待测物体充分接触，根据液体摩擦介质受热膨胀/收缩后的体积变化来反映被测温度；测量压力时，封闭所述储气箱并打开储液箱，储液箱直接与待测物体相连，液体摩擦介质受压差作用运动并引起气体缓冲介质膨胀/收缩以平衡压力，根据气体缓冲介质在压力改变后的密度来反映被测压力。基于摩擦起电效应和静电感应的耦合作用，所述液体摩擦介质与固体摩擦介质发生相对运动并产生摩擦电信号，根据第一电极层和第二电极层的电势差或转移电荷量确定液体摩擦介质的体积变化或气体缓冲介质的密度以得到待测物体的温度或压力。

优选的，所述储液箱、储液管、第一转接头、毛细管、第二转接头、固体摩擦介质、储气箱、第一密封塞和第二密封塞共同构成封闭空间。所述导热介质和导热管共同构成封闭空间。所述外部壳体、封装盖板、储液箱、第一密封塞、储气箱和第二密封塞共同构成封闭空间。

优选的，所述液体摩擦介质可为水、无水乙醇、汞等材料；所述储液管、储液箱和储气箱，可为紫铜、不锈钢、硼硅酸盐玻璃、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等材料；所述导热介质，可为硅油、液态金属等材料；所述导热管，可为紫铜、不锈钢、聚甲基丙烯酸甲酯和聚二甲基硅氧烷等材料；所述外部壳体和封装盖板，可为聚甲基丙烯酸甲酯和聚二甲基硅氧烷等材料；所述第一连接器和第二连接器，可为硅酸凝胶、橡胶等材料；所述第一隔热层和第二隔热层，可为玻璃纤维、石棉和气凝胶等材料；所述第一转接头和第二转接头，可为聚氯乙烯、热塑性聚酯和硅酸凝胶等材料；所述毛细管，可为硼硅酸盐玻璃等材料；所述固体摩擦介质，与所述液体摩擦介质的材料在摩擦电序列上存在差异，可为硼硅酸盐玻璃、聚酰胺、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚烯醇、聚氯醚、聚氨酯、聚丙烯腈等材料；所述第一电极层和第二电极层可为铜、银、金等材料；所述气体缓冲介质可为氮气、二氧化碳和空气等材料；所述第一密封塞和第二密封塞的材料可为abs塑料、丁腈橡胶和硅酸凝胶等材料。

优选的，在测量温度时，所述第一密封塞处于密闭状态且第二密封塞处于打开状态，待测物体与外部壳体、导热管、导热介质和液体摩擦介质进行热量交换。当待测物体的温度比测温下限tmin高时，所述液体摩擦介质受热膨胀经毛细管流入固体摩擦介质；在测量压力时，所述第一密封塞处于打开状态且第二密封塞处于密闭状态，液体摩擦介质、气体缓冲介质与待测物体的压力相互平衡。当待测物体的压力比测压下限pmin高时，所述液体摩擦介质受压差作用经所述毛细管流入固体摩擦介质。在温度、压力测量过程中，保证所述液体摩擦介质始终处于固体摩擦介质内部，储气箱始终处于环境温度t0中。由于摩擦起电效应和静电感应的耦合作用，所述液体摩擦介质与固体摩擦介质发生相对运动并产生摩擦电信号，通过测量所述第一电极层和第二电极层的电势差或转移电荷量即可确定液体摩擦介质的体积变化量或气体缓冲介质的密度并测得待测物体的温度或压力。

优选的，当所述液体摩擦介质渐渐充满固体摩擦介质时，记录液体摩擦介质的位移量以及对应的第一电极层和第二电极层的电势差，由公式(1)拟合得到液体摩擦介质位移量与电势差或转移电荷量的函数关系：

x＝f1(u)(1)

式中：x为所述液体摩擦介质在固体摩擦介质中的位移量；u为所述第一电极层和第二电极层的电势差或转移电荷量；f1代表已知所述第一电极层和第二电极层的电势差或转移电荷量计算液体摩擦介质在固体摩擦介质中的位移量的函数关系式。

优选的，在测温过程中，根据体积膨胀系数的定义，待测物体的温度可由公式(2)得到：

式中，s为所述固体摩擦介质的截面积；β为所述液体摩擦介质的体积膨胀系数；v为所述储液管的内部体积；tmin为测温下限值。

优选的，在测压过程中，保证所述液体摩擦介质、固体摩擦介质、储气箱共同构成的封闭空间内始终存在恒定质量的气体缓冲介质，根据质量守恒定律，气体缓冲介质的密度满足公式(3)：

式中：ρ为所述气体缓冲介质的密度；v0为所述气体缓冲介质处于测压下限pmin时的体积；s为所述固体摩擦介质的内横截面积；ρ0为所述气体缓冲介质处于测压下限pmin时的密度，满足公式(4)：

ρ0＝f2(t0,p0)(4)

式中：t0为环境温度；pmin为测压下限值；函数f2代表已知所述气体缓冲介质的温度和压力计算密度的状态方程。

优选的，在得到所述气体摩擦介质的密度后，可得最终的测压方程(5)：

p＝f3(t0,ρ)(5)

式中：p为待测物体的压力测量值；函数f3代表已知所述气体缓冲介质的温度和密度计算压力的状态方程。

优选的，所述的基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及其传感方法，包括制备与标定过程和温度、压力测量过程，其中，

优选的，所述的基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及其传感方法，制备与标定过程包括步骤：

1)制备过程。对所述储液管、储液箱、毛细管、固体摩擦介质、储气箱进行清洗后烘干，在固体摩擦介质外壁和第二隔热层上表面分别放置一定长度的第一电极层和所述第二电极层，将除外部壳体、封装盖板、第一密封塞、第二密封塞、导热介质和液体摩擦介质的组成部分进行连接。用注射器将所述导热介质注入导热管内，同时用另一只注射器抽取导热管内多余的空气，之后将注射器留下的小孔封住并将其置于干燥环境中固化。在温度tmin、压力pmin的环境下，通过调整所述第二密封塞的开闭状态，在储液箱和储液管中注满液体摩擦介质，最后确保第一密封塞和第二密封塞处于闭合状态。

2)标定过程。所述第一密封塞和第二密封塞处于打开状态，将储液箱与压力泵相连，通过加压推动液体摩擦介质运动，借助标尺记录液体摩擦介质的位移量x以及对应的第一电极层和第二电极层的电势差或转移电荷量u。拟合得到所述液体摩擦介质在固体摩擦介质中的位移量x与第一电极层和第二电极层的电势差或转移电荷量u的函数关系式f1。

优选的，所述的基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及其传感方法，温度、压力测量过程在制备与标定过程之后，包括步骤：

a)温度测量过程。所述第一密封塞处于闭合状态且第二密封塞处于打开状态，将外部壳体与导热管贴合的部分与待测物体充分接触，当摩擦电信号不再发生改变时，利用公式(1)得到液体摩擦介质在固体摩擦介质中的位移量x，根据温度测量公式(2)得到待测物体的温度测量值。

b)压力测量过程。所述第一密封塞处于打开状态且第二密封塞处于闭合状态，将储液箱与待测物体相连，液体摩擦介质受压差作用进行运动，当摩擦电信号不再发生改变时，分别利用公式(1)和(4)得到液体摩擦介质位移量x和气体缓冲介质处于测压下限pmin时的密度，根据公式(3)得到测压时气体缓冲介质的密度。由于所述气体缓冲介质、液体摩擦介质和待测物体处于平衡状态，利用公式(5)得到的气体缓冲介质的压力即为待测物体的压力测量值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及其传感方法，根据液体摩擦介质在固体摩擦介质中的位移和摩擦电信号的对应关系，得到液体摩擦介质的体积变化或气体缓冲介质的密度，实现待测物体温度、压力的一体化传感，具有成本低廉、结构简单、安全环保和无需外部电源供能等特点，测量信号不受环境气压的影响、分辨率较高且能远程实时传输，其对于化工生产、能源利用、机械制造、医疗健康和材料科学等众多领域中物联网的构建具有重要应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1是本发明基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器的一较佳实施例的结构示意图；

附图中所用到的符号的含义如下：1是液体摩擦介质；2是储液管；3是导热介质；4是导热管；5是外部壳体；6是储液箱；7是第一连接器；8是第一隔热层；9是第一转接头；10是毛细管；11是第二转接头；12是固体摩擦介质；13是第一电极层；14是气体缓冲介质；15是储气箱；16是第二连接器；17是第二隔热层；18是第二电极层；19是封装盖板；20是第一密封塞；21是第二密封塞。

图2是本发明基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器中所述液体摩擦介质位移量随电势差变化的函数关系示意图；

图3是本发明基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器的温度测量值随电势差变化的函数示意图；

图4是本发明基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器的压力测量值随电势差变化的函数示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供的一种基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器包括：液体摩擦介质1，用于作为感温材料和摩擦纳米发电机的液体摩擦材料；储液管2，用于装载所述液体摩擦介质1；导热介质3，用于将待测物体的热量传递给所述液体摩擦介质1；导热管4，用于装载所述导热介质3；外部壳体5，起到器件封装与热量传递的作用；储液箱6，用于存储所述液体摩擦介质1；第一连接器7，用于连接所述储液管2和储液箱6；第一隔热层8，用于削弱所述储液管2和储液箱6之间的热量传递并限定储液箱6的位置；第一转接头9，用于对所述储液管2的接口大小进行转换；毛细管10，用于引导所述液体摩擦介质1向上移动；第二转接头11，用于对所述毛细管10的接口大小进行转换；固体摩擦介质12，用于作为摩擦纳米发电机的固体摩擦材料，在与所述液体摩擦介质1的摩擦过程中二者之间能产生摩擦电信号；第一电极层13，设置于所述固体摩擦介质12的外表面，用于传感液体摩擦介质1和固体摩擦介质12之间的电势差或转移电荷量；气体缓冲介质14，用于感知所述液体摩擦介质1的运动并能通过膨胀/收缩平衡压力；储气箱15，用于存储所述气体缓冲介质14；第二连接器16，用于连接所述固体摩擦介质12和储气箱15；第二隔热层17，用于削弱所述储液管2和固体摩擦介质12、储气箱15之间的热量传递并限定储气箱15的位置；第二电极层18，设置于所述第二隔热层17的上表面，起到提供参考电势的作用；封装盖板19，用于对所述基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器进行封装；第一密封塞20，用于对所述储液箱6进行密封；第二密封塞21，用于对所述储气箱15进行密封。

图2是本发明基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器用于人体温度和血压测量时所述液体摩擦介质位移量随电势差变化的函数关系示意图，说明所述液体摩擦介质位移量和摩擦电信号之间存在良好的线性关系，所述温度压力一体化传感器具有良好的线性度。

图3是本发明基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器在测量人体温度时温度测量值随电势差变化的函数示意图，电势差由0v升至2v时温度由298.64k升至319.17k，说明在人体温度范围内，所述温度压力一体化传感器的测温灵敏度和分辨率较高。

图4是本发明基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器在测量人体血压时压力测量值随电势差变化的函数示意图，电势差由0v升至2v时表压由-0.72kpa升至41.42kpa，说明在人体血压范围内，所述温度压力一体化传感器的测压灵敏度和分辨率较高。

在本实施例中，所述液体摩擦介质1为无水乙醇，储液管2为316l不锈钢，导热介质3为3:1的镓铟合金，导热管4为316l不锈钢，外部壳体5为聚二甲基硅氧烷，储液箱6为316l不锈钢，第一连接器7为热塑性聚酯，第一隔热层8为石棉，第一转接头9为热塑性聚酯，毛细管10为316l不锈钢，第二转接头11为热塑性聚酯，固体摩擦介质12为聚四氟乙烯，第一电极层13为铜，气体缓冲介质14为空气，储气箱15为316l不锈钢，第二连接器16为热塑性聚酯，第二隔热层17为石棉，第二电极层18为铜，封装盖板19为316l不锈钢，第一密封塞20为abs塑料，第二密封塞21为abs塑料。

优选的，所述的基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及其传感方法，包括制备与标定过程和温度、压力测量过程，其中，

优选的，所述的基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及其传感方法，制备与标定过程包括步骤：

1)制备过程。在超声清洗仪中依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对所述储液管2、储液箱6、毛细管10、固体摩擦介质12、储气箱15进行清洗后烘干，在固体摩擦介质12外壁和第二隔热层17上表面分别贴附40mm长的第一电极层13和第二电极层18，将除外部壳体5、封装盖板19、第一密封塞20、第二密封塞21、导热介质3和液体摩擦介质1的组成部分进行连接。用注射器将所述导热介质3注入导热管4内，同时用另一只注射器抽取导热管4内多余的空气，之后用1：1比例的液态硅橡胶将注射器留下的小孔封住并将其置于干燥环境中固化。在温度tmin＝298.15k、压力pmin＝0.101mpa的环境下，通过调整所述第二密封塞21的开闭状态，在储液箱6和容积为20ml的储液管2中注满液体摩擦介质1，最后确保第一密封塞20和第二密封塞21处于闭合状态。

2)标定过程。所述第一密封塞20和第二密封塞21处于打开状态，将储液箱6与压力泵相连，通过加压推动液体摩擦介质1运动，借助标尺记录液体摩擦介质1的位移量x以及对应的第一电极层13和所述第二电极层18的电势差u。如图2所示，拟合得到所述液体摩擦介质1在固体摩擦介质12(内径为2mm、长度为40mm)中的位移量x与第一电极层13和第二电极层18的电势差u的函数关系式x(mm)＝f1(u)＝17.87815u-0.85731。

优选的，所述的基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及其传感方法，温度、压力测量过程在制备与标定过程之后，包括步骤：

a)温度测量过程。所述第一密封塞20处于闭合状态且第二密封塞21处于打开状态，将外部壳体5与导热管4贴合的部分与待测物体充分接触，且保证气体缓冲介质14处于环境温度t0＝298.15k，当摩擦电信号不再发生改变时，利用x(mm)＝17.87815u-0.85731得到液体摩擦介质1在固体摩擦介质12中的位移量x。如图3所示，根据温度测量公式t(k)＝10.26633u+298.64175得到待测物体的温度测量值。

b)压力测量过程。所述第一密封塞20处于打开状态且第二密封塞21处于闭合状态，将储液箱6与待测物体相连，液体摩擦介质1受压差作用进行运动，当摩擦电信号不再发生改变时，分别利用x(mm)＝17.87815u-0.85731和ρ0(kg·m^-3)＝f2(298.15k,0.101mpa)得到液体摩擦介质1位移量x和气体缓冲介质14处于测压下限0.101mpa时的密度1.1688kg·m^-3。所述储气箱6的体积为0.37699ml。如图4所示，结合所述气体缓冲介质14的状态方程，利用p(kpa)＝101/[1-(0.14898u-0.00714)]得到待测物体的压力测量值。

所述的基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及其传感方法，使用前要对其进行检查：(1)所述第一密封塞20和第二密封塞21都处于闭合状态；(2)开始测量时首先确保所述第一密封塞20处于闭合状态且第二密封塞21处于打开状态，由液体缓冲介质1所处的位置确定环境温度值；(3)测温时待测物质的温度应低于液体摩擦介质1在所处压力下的饱和温度；(4)测压时待测物质的压力应高于液体摩擦介质1在所处温度下的饱和压力。

上述的，在完成温度或压力的测量后，将所述基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器置于环境中，在环境温度、压力的影响下液体摩擦介质1的体积和气体缓冲介质14的密度逐渐回到初始状态。

本发明基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及其传感方法中的液体摩擦介质1、储液管2、导热介质3、导热管4、外部壳体5、储液箱6、第一连接器7、第一隔热层8、第一转接头9、毛细管10、第二转接头11、固体摩擦介质12、第一电极层13、气体缓冲介质14、储气箱15、第二连接器16、第二隔热层17、第二电极层18、封装盖板19、第一密封塞20、第二密封塞21所用材料均为常规材料，价格低廉。本发明基于摩擦纳米发电机的温度压力一体化传感器及其传感方法，根据液体摩擦介质在固体摩擦介质中的位移和摩擦电信号的对应关系，得到液体摩擦介质的体积变化或气体缓冲介质的密度，实现人体温度和血压的一体化传感，具有成本低廉、结构简单、安全环保和无需外部电源供能等特点，测量信号不受环境气压的影响、分辨率较高且能远程实时传输，对于在线医疗诊断系统的发展具有重要意义。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。